基于DSP的工頻電量測試儀硬件電路設(shè)計

一．引言

現(xiàn)代企業(yè)的用電系統(tǒng)中，各種儀器儀表正得到越來越多的應(yīng)用，而以單片機為內(nèi)核的儀表由于速度和精度的問題，在很大程度上已不能滿足人們對信息處理的需求。DSP 軟件編程靈活，自由度大，實時運算速度,數(shù)據(jù)處理能力遠遠超過單片機.本文以TMS320VC33 DSP為核心，設(shè)計一種處理速度和準(zhǔn)確度都較高的工頻電量測試儀，來滿足人們的實際需要。

二． 電路設(shè)計

1．電壓取樣跟隨電路：圖1為電路原理圖,為了將系統(tǒng)0～400V的電壓轉(zhuǎn)換為用于測的

圖1. 電壓采樣電路

圖2. 電流采樣電路

0～5V的電壓信號，需要在回路中并聯(lián)電阻。為提高精度，取流過電阻的電流為1mA，且電阻的溫度應(yīng)該很小，因此選用精度較大的電阻。為了保證分壓信號在0～5Ｖ之間，選分壓阻值R6=315K，R7=5K。

2. 電流取樣跟隨電路：圖2為其電路原理圖，為了將系統(tǒng)0～5A的電流轉(zhuǎn)換為用于測量的0～10mA的電流，利用變壓器可以實現(xiàn)電流信號的轉(zhuǎn)換，當(dāng)測量信號為5A時，原邊和副線圈比例為1:500。器件的輸入一般都是電壓，所以需把電流信號轉(zhuǎn)化為電壓信號，只需在電流的輸出端接一個500歐姆的電阻就可把10mA的電流轉(zhuǎn)化為5伏的電壓。

3. AD轉(zhuǎn)換電路：采用AD73360 A/D 轉(zhuǎn)換器，AD73360是AD公司推出的6通道模擬輸入的16位串行可編程A/D 轉(zhuǎn)換器。由于采用∑-A/D轉(zhuǎn)換原理，具有良好的抗混疊性能，所以對模擬前端濾波器的要求不高，它能保證6路模擬信號同時采樣，且在變換過程中延遲很小。本設(shè)計采用直流耦合的單端輸入，圖3為與DSP連接電路圖。

圖3 AD與VC33的連接圖

4．倍頻電路：為了啟動A/D轉(zhuǎn)換器和測量系統(tǒng)的頻率，系統(tǒng)中必有倍頻電路。采樣電路采樣得到的正弦波經(jīng)OP-07比較器后變成了方波，其一周期內(nèi)只有兩個脈沖，用此脈沖啟動A/D轉(zhuǎn)換遠達不到系統(tǒng)的要求。倍頻電路的作用就是把方波變成更多的脈沖，波形變換如圖4。

圖4 倍頻電路的波形變換圖

CC4046在倍頻電路中的作用是頻率合成。利用PLL實現(xiàn)頻率合成的原理圖如圖5所示。

圖5 利用PLL實現(xiàn)頻率合成的原理圖

若晶體產(chǎn)生的頻率為fs，經(jīng)固定分頻電路除以M后得到參考頻率fr,則由fr=fs/M，被送到相位比較器的一個輸入端上作比較基準(zhǔn)，由VCO產(chǎn)生的頻率f0被一個可編程分頻器除以N后送到相位比較器的另一個輸入端上與fr進行比較，當(dāng)鎖定后，則有：fs/M=f0/N 即f0=N/M fs。在此設(shè)計中，M=1，N=360，fs是由OP-07比較后產(chǎn)生的脈沖的頻率。程序倍頻器由CC4046組成，它產(chǎn)生360的分頻。分頻后的信號進入8253計數(shù)器，由計數(shù)器來計算頻率。

5 模擬開關(guān)電路：在測電壓和電流時，倍頻器要分別和相應(yīng)的電壓采樣電路和電流采樣電路相連，就需要一個模擬開關(guān)進行選擇，選用的模擬開關(guān)是CMOS的CC4053。CMOS多路模擬開關(guān)電路是由地址譯碼器和多路雙向模擬開關(guān)組成，可以通過外部地址輸入，經(jīng)電路內(nèi)部的地址譯碼器譯碼后，接通與地址碼相對應(yīng)的其中的一個開關(guān)。它允許從n線到1線的傳送或1線到n線的信號分離，以及允許信號的并―串轉(zhuǎn)換。CC4053是三組二路模擬開關(guān)。

6.CC4046與8253的連接：CC4046作為倍頻電路使用時，其輸出信號頻率為它的輸入信號頻率的N倍，倍頻電路由鎖相環(huán)和N進制計數(shù)器組成，計數(shù)器插入在VCO輸出和比較器之間。這樣，當(dāng)鎖相環(huán)鎖定時，計數(shù)器輸出信號頻率和鎖相環(huán)輸入信號頻率 相等，從而在計數(shù)器時鐘輸入端（即VCO輸出）得到倍頻輸出信號。其與8253的連接圖如圖6所示。

圖6 4046與8253的連接圖

7.串口通信的實現(xiàn)：為了擴大儀表的功能，使儀表能夠方便的與上位機進行數(shù)據(jù)交換，為儀表設(shè)計了一個RS-232標(biāo)準(zhǔn)串行接口，TMS320VC33沒有接收發(fā)送數(shù)據(jù)的功能，所以把8251作為VC33的一個串行通道。由于RS-232的電平與TTL電平不兼容，所以需要加MAX232E作為電平轉(zhuǎn)換電路。8251A作為可編程通信接口器件與VC33構(gòu)成的串行如圖7所示。

圖7 8251與VC33構(gòu)成的串行接口圖

由圖可知:8251A的 、 、RESET等信號與VC33的相位端相連，8251A的D7～D0和VC33的低8位數(shù)據(jù)總線D7～D0相連。8251A的片選信號由地址譯碼電路74LS138的Y5提供， 與地址總線的A0相連，用于選擇數(shù)據(jù)口和控制口。VC33的時鐘經(jīng)過8253分頻后，送到8251A的 和 端，作為8251A接收時鐘和發(fā)送時鐘。

8. 電壓轉(zhuǎn)化電路設(shè)計：由于8251的TXD和RXD信號和PC機的串口電壓不符, 所以在此之間加了一個電壓轉(zhuǎn)換器MAX232。其連接圖如圖8。其內(nèi)部主要由一個將+5V變至+10V的電

圖8 MAX232與RS-232的連接圖

壓倍增器，一個將+10V變至-10V的電壓變換器以及兩個發(fā)送器和兩個接收器組成。使用時只需在外部連接4個電容，通過內(nèi)部的雙充電泵電壓變換器，就可以實現(xiàn)升壓和電壓極性轉(zhuǎn)換，把+5V變換成12V，以作為驅(qū)動器的電源。通過這種芯片不但實現(xiàn)了TTL與EIA232C電平的轉(zhuǎn)換，而且可同時完成正負邏輯之間的轉(zhuǎn)換，使用起來非常方便。

9.存儲器擴展：Am29LV800B是一個8M位，3.3V閃速存儲器，該存儲器有1M字節(jié)或512K16位字。16位字數(shù)據(jù)出現(xiàn)在DQ15CDQ0上；字節(jié)寬數(shù)據(jù)出現(xiàn)在DQ7CDQ0上。這個器件僅需要單個3.3V電源就可完成讀、編程和擦除操作。也可以使用一個標(biāo)準(zhǔn)EPROM編程器編程和擦除器件。

圖9 AM29LV800B與TMS320VC33的連結(jié)

該器件是用AMD的0.32µm技術(shù)制造，還具有旁路解鎖編程和在線塊保護/不保護的特點。標(biāo)準(zhǔn)器件提供70、90和120ns的訪問時間，使得高速微處理器操作沒有等待。

對于讀和寫功能器件僅需要單個3.3V電源供電。內(nèi)部產(chǎn)生和調(diào)節(jié)編程和擦除操作所需的電壓。根據(jù)AM29LV800B引腳的特性,其與TMS320VC33連結(jié)如圖9所示。

此設(shè)計利用PAGE1*作為片選信號，即從VC33的引導(dǎo)2（400000h～7FFFFFh）引導(dǎo)閃存，是因為TMS320VC33把這部分地址正好映射到外部存儲器.VC33的讀為高電平,而AM29LV800B的輸出使能OE#有效為低電平,所以在R和OE#之間必須加上個非門.W#可和WE#直接相連,存儲器的復(fù)位引腳直接與VC33的復(fù)位引腳相連,使系VC33復(fù)位時,閃存器件也復(fù)位,為讀寫作好準(zhǔn)備.用XF0作為檢測RY/BY的狀態(tài)位,由于采用字的格式,所以直接把BYTE接高電平。

此外，電路還包括以MAX706 設(shè)計的復(fù)位電路、看門狗電路、顯示器、鍵盤電路等。，實現(xiàn)電壓，電流，功率，電網(wǎng)頻率，電網(wǎng)功率因數(shù)的測量。用戶通過鍵盤可以方便地進行人機對話，實現(xiàn)各種功能；通過顯示器可以及時看到測量數(shù)據(jù)，通過擴展存儲器可以保存實驗數(shù)據(jù)，通過異步串行通信口可以方便的同其他計算機進行信息傳遞和數(shù)據(jù)的交換共同完成各種功能。用該設(shè)計的工頻電量測試儀在實際應(yīng)用中，性能穩(wěn)定，效果良好。

參考文獻

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